KR101342356B1 - 플라스마 ｃｖｄ를 이용한 탄소 막 생성 방법과 탄소 막 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소 막을 낮은 전력 소모로 저비용으로 균일하게 생성하기 위한 방법을 제공한다. 탄소 막을 생성하는 방법은, 일부에 개구를 구비하는 원통형 부재를 진공 챔버 내에 배치하는 단계;
상기 원통형 부재 내에 기판을 배치하는 단계;
탄소 막 생성용 가스를 진공 챔버로 주입하는 단계; 및
상기 원통형 부재에 플라스마를 생성하여, 상기 플라스마에 의하여 기판의 표면에 탄소 막을 생성하도록, 상기 원통형 부재에 플라스마 생성용 전압을 인가하는 단계를 포함한다.

Description

플라스마 ＣＶＤ를 이용한 탄소 막 생성 방법과 탄소 막{METHOD FOR PRODUCING CARBON FILM USING PLASMA CVD AND CARBON FILM}

본 발명은 플라스마 화학 증착법(plasma chemical vapor deposition)을 이용하여 나노구조(nanostructure)를 지닌 탄소 막을 생성하기 위한 장치 및 방법과, 그리고 탄소 막 구조물에 관한 것이다.

플라스마 화학 증착(plasma CVD)법에 있어서, 탄소 막이 기판에 형성될 수 있다. 일반적으로, 플라스마 화학 증착법을 이용하여 물질 가스(material gas)는 가스압을 조절하는 동안에 주입된다. 서로 마주하는 한 쌍의 평판 전극 양단에 DC 전력을 인가하면 플라스마가 발생한다. 기판은 가열된다. 기판으로 향하는 이온 에너지를 제어함으로써, 탄소 막이 기판에 생성된다(JP-A 제11-50259호 참조).

플라스마 CVD법에는 고압 가스가 사용된다. 플라스마를 발생시키기 위해 높은 전압이 인가된다. 막 생성을 위해서는 장시간이 걸린다. 큰 면적을 지닌 기판에 막을 생성하기 위해 큰 면적을 각각 지닌 평판 전극을 필요로 한다. 긴 와이어상에 탄소 막 생성은 긴 전극 표면을 필요로 한다. 이로 인해 장치의 크기가 증가하고 비싼 장치가 요구된다. 특히, 전극 면적은 와이어 상의 막 생성 면적에 비례하여 증가하기 때문에 전력 소모에 있어서 낭비를 초래한다. 단면이 원형인 와이어의 외면 전체에 걸쳐 균일한 탄소 막이 생성될 수 없다.

본 발명은 일부에 개구가 구비되어 있는 원통형 부재를 진공 챔버 내에 배치하는 단계와, 원통형 부재 내에 기판을 배치하는 단계와, 탄소 막 생성을 위해 진공 챔버 속으로 가스를 주입하는 단계와, 플라스마 발생을 위해 원통형 부재에 전압을 인가하여 플라스마가 원통형 부재 내에 발생하고 탄소 막이 플라스마에 의해 기판의 표면 상에 생성되도록 하는 단계를 포함한다.

상기 전압은 고주파 전압인 것이 바람직하다.

상기 전압은 DC 부전압인 것이 바람직하다.

상기 전압은 DC 부전압에 고주파 전압을 중첩시킴으로써 얻어진 전압인 것이 바람직하다.

이러한 전압에 있어서, DC 전압을 인가하는 방법에는 어떠한 제약이 따르지 않는다. DC 전압은 예컨대, 연속적으로 또는 펄스로서 인가될 수 있다.

전술한 "일부에 개구가 구비되어 있다"라는 표현은 원통형 부재에 생성된 어떤 개구를 포함한다는 것을 의미한다. 여기서, 또한 개구는 예컨대, 원통형 부재의 일단부 쪽 혹은 양단부 쪽에 있는 개구 혹은 원주벽 상의 개구를 포함한다.

원통형 부재의 원주벽 상의 개구는 예컨대, 나선, 그물 혹은 슬릿 모양이고, 원통형 부재의 단면은 원형이나 직사각형에만 한정되지 않는 임의의 형상이다.

상기 원통형 부재에서 "원통형(cylindrical)"이란 용어는 그 단어의 원래의 뜻에 한정되는 것이 아니라 박스 모양도 포함한다.

상기 기판의 형상은 탄소 막이 그 위에 생성될 수만 있다면 특별히 한정되지 않는다. 기판은 직선 직선뿐만 아니라 평판 혹은 실린더 등의 모양과 같이 다양한 형태라도 좋다.

탄소 막의 예로는 탄소 나노벽(nanowall), 탄소 나노튜브(nanotube), 탄소 나노섬유(nanofiber) 및 탄소 금속 나노트리(nanotree)가 포함된다.

본 발명에서, 원통형 부재의 내측 공간에서 발생된 플라스마는 높은 전자 밀도를 지닌다. 이 플라스마는 높지 않은 압력에서 조차도 적절한 밀도와 활성도를 지닌다. 따라서 탄소 막은 저압에서 생성될 수 있다. 원통형 부재에서 발생된 플라스마는 밀도가 높다. 따라서 탄소 막은 낮은 전력에서 효율적으로 생성될 수 있다.

기판이 원통형 부재의 내측 공간 내에 배치되기 때문에, 기판이 긴 와이어일 경우, 원통형 부재는 탄소 막이 와이어의 표면 상에 생성될 수 있도록 와이어의 길이 방향으로 연장될 수 있다. 따라서 전력 소모에 있에서 낭비를 억제할 수 있고 또 막을 효율적으로 생성할 수 있다. 기판을 원통형 부재의 내측 공간 내에 배치시킴으로써, 기판의 외면 전체에 걸쳐 균일한 두께를 갖는 탄소 막을 생성하는 것이 가능할 수 있다.

본 발명에 따르면, 탄소 막을 낮은 전력 소모로 저비용으로 균일하게 생성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 막 생성 장치를 개략적으로 도시한 선도이다.
도 2는 도 1의 코일의 변형례를 개략적으로 도시한 선도이다.
도 3은 도 1의 와이어를 부분적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1의 전자 방출 특성의 평가를 위한 구조를 개략적으로 도시한 선도이다.
도 5는 도 1의 전자 방출 특성(electron emission charateristic)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 와이어를 사용하는 선형 광원(linear light source)의 예를 도시하는 사시도이다.
도 7은 도 6의 단면을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 막 생성 장치의 개략적인 선도이다.
도 9는 도 8의 전자 방출 특성을 평가하기 위한 방법을 설명하기 위한 선도이다.
도 10a는 도 8의 막 생성을 위한 상이한 조건에서 탄소 막의 상태를 보여주는 SEM(scanning electron microscope; 주사 전자 현미경) 이미지 사진이다.
도 10b는 도 10a를 부분 확대한 사진이다.
도 11a는 도 8의 막 생성을 위한 상이한 조건에서 탄소 막의 상태를 보여주는 SEM 이미지 사진이다.
도 11b는 도 11a를 부분 확대한 사진이다.
도 12a는 도 8의 막 생성을 위한 상이한 조건에서 탄소 막의 상태를 보여주는 SEM 이미지 사진이다.
도 12b는 도 12a를 부분 확대한 사진이다.
도 13a는 도 8의 막 생성을 위한 상이한 조건에서 탄소 막의 상태를 보여주는 SEM 이미지 사진이다.
도 13b는 도 13a를 부분 확대한 사진이다.
도 14a는 도 8의 막 생성을 위한 상이한 조건에서 탄소 막의 상태를 보여주는 SEM 이미지 사진이다.
도 14b는 도 14a를 부분 확대한 사진이다.
도 15a는 도 8의 막 생성을 위한 상이한 조건에서 탄소 막의 상태를 보여주는 SEM 이미지 사진이다.
도 15b는 도 15a를 부분 확대한 사진이다.
도 16a는 도 8의 막 생성을 위한 상이한 조건에서 탄소 막의 상태를 보여주는 SEM 이미지 사진이다.
도 16b는 도 16a를 부분 확대한 사진이다.
도 17a는 도 8의 막 생성을 위한 상이한 조건에서 탄소 막의 상태를 보여주는 SEM 이미지 사진이다.
도 17b는 도 17a를 부분 확대한 사진이다.
도 17c는 도 17a의 탄소 막의 개념적인 구조를 도시하는 선도이다.
도 18은 도 1의 코일의 변형례를 개략적으로 도시한 선도이다.
도 19는 도 1의 코일의 또 다른 변형례를 개략적으로 도시한 선도이다.
도 20은 도 1의 장치의 다른 예를 도시하는 선도이다.
도 21은 도 1의 장치의 또 다른 예를 도시하는 선도이다.
도 22는 도 21의 탄소 막 생성 장치에 의해 발생되는 플라스마의 상태를 보여주는 사진이다.
도 23은 도 21의 탄소 막 생성 장치에 의해 발생되는 플라스마의 상태를 보여주는 사진이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 막 생성을 개략적으로 도시한 선도이다.
도 25는 탄소 금속 나노트리를 보여주는 사진이다.
도 26은 다른 탄소 금속 나노트리를 보여주는 사진이다.
도 27은 또 다른 탄소 금속 나노트리를 보여주는 사진이다.
도 28은 또 다른 탄소 금속 나노트리를 보여주는 사진이다.
도 29는 또 다른 탄소 금속 나노트리를 보여주는 사진이다.
도 30은 또 다른 탄소 금속 나노트리를 보여주는 사진이다.
도 31은 전계 방출 램프(field emission lamp)의 단면을 도시한 단면도이다.
도 32는 도 31의 주요 부분을 확대 도시한 확대도이다.
도 33은 도 31의 선 A-A를 따라 취한 단면도이다.
도 34는 도 31의 선 B-B를 따라 취한 단면도이다.
도 35는 또 다른 전계 방출 램프의 단면을 도시한 단면도이다.
도 36은 도 35의 선 C-C를 따라 취한 단면도이다.
도 37은 도 35의 선 D-D를 따라 취한 단면도이다.
도 38은 내열 지지 부재를 지지하는 지지 섹션의 변형례를 도시하는 측면 패널과 내열 지지 부재의 일부를 도시한 단면도이다.
도 39는 원통형 부재의 또 다른 예를 도시한 다면이다.
도 40은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 막 생성 장치를 개략적으로 도시한 선도이다.
도 41은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 막 생성 장치를 개략적으로 도시한 선도이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상세하게 설명할 것이다.

도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 막을 생성하기 위한 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 코일(11)은 점선으로 표시된 진공 챔버(10) 내에 설치되어 있다. 이 코일(11)은 나선 모양의 원주벽을 지닌 원통형 부재로 되어 있다. 실린더(11)는 그 일부에 개구를 지닌 원통형 부재라고 칭할 수 있다. 코일(11)의 재료는 Cu, Ni, 스테인리스강, 탄소 등이다. 코일(11)의 권선 직경 및 길이 등은 탄소 막이 생성될 기판의 크기 혹은 다른 인자에 따라 선택될 수 있다. 상기 기판은 일례로서 도전성 와이어라도 좋다. 코일(11)의 내측 공간은 실질적으로 코일(11)의 길이 방향으로 연장하는 실린더 모양이다.

고주파 전원 공급부(12)는 코일(11)의 양단에 접속되어 있다. 고주파 전원 공급부(12)의 전원 주파수는 예컨대, 13.56MHz, 4MHz, 27.12MHz, 40.68MHz 이다. 와이어(13)는 코일(11)의 길이 방향을 따라 코일(11)의 내측 공간에 배치되어 있다. 이 와이어(13)는 코일(11)의 내측 공간에서 거의 중간에 배치되고, 탄소 막은 와이어 외면 전체에 걸쳐 균일한 두께로 생성된다.

와이어(13)의 재료는 Ni, 스테인리스, Fe 등이다. 와이어(13)의 직경은 한정되지 않는다. 와이어(13)의 직경은 예컨대, 수밀리미터, 또는 1 내지 5mm일 수 있다. 가열 전원 공급부(14)는 와이어(13)의 양단에 접속되어 있다. 와이어(13)의 가열 온도는 전류가 가열 전원 공급부(14)로부터 공급될 때, 700℃ 내지 1,000℃ 범위에 속한다. 가열 온도가 800℃ 내지 1,000℃ 범위에 속하는 것이 바람직하다. 필름 생성 시간을 단축시키고 막 품질을 향상시키기 위해 800℃ 이상의 가열 온도가 바람직할 수 있다. 탄화수소 가스 등의 물질 가스는 와이어(13)가 800℃ 이상에서 가열되는 상태로 예정된 압력에서 제어된 유동 속도로 진공 챔버(10) 속으로 공급된다. 물질 가스의 예로는 CH₄ 와 H₂, CH₄ 와 Ar, CH₄ 와 O₂ 등이 포함된다. 처리 후 가스는 진공 챔버(10) 외부로 흐르도록 강제된다.

CH₄ 와 H₂의 혼합 가스에서 CH₄의 농도는 예컨대, 90%이고, CH₄ 와 Ar의 혼합 가스에서 CH₄의 농도는 예컨대, 20 내지 60%이고, CH₄ 와 O₂의 혼합 가스에서 CH₄의 농도는 예컨대, 95%이다. C₂H₄ 등의 다른 탄화수소 가스가 또한 사용될 수 있다.

진공 챔버(10) 내의 가스 압력은 0.1 내지 50Torr 범위이다. 그 가스 압력으로 1 내지 10Torr 범위가 바람직하며, 0.5 내지 50Torr 범위가 더욱 바람직할 수 있다.

고주파 전원 공급부(12)는 코일(11)에 100W의 고주파 전력을 공급한다. 이 전원 공급부에 의해 코일(11) 내에 플라스마(15)가 발생된다. 플라스마(15)가 발생되는 영역은, 본 발명자가 실시한 실험에 의하면 직경 50mm과 길이 100mm의 원통형 영역이다. 이때의 압력은 약 0.75Torr였고, 와이어(13)의 가열 온도는 약 800℃였다. 탄소 막이 와이어(13)의 표면 전체에 걸쳐 생성되었다. 막 생성에 소요된 시간은 약 30분이었다.

전술한 실험에서, 플라스마(15)의 전자 밀도는 매우 높았고, 탄소 막은 저압 하에서 생성되었다. 상기 플라스마는 100W의 낮은 전력 공급에 의해 높은 밀도로 유지된다. 탄소 막의 막 생성 속도는 전력 공급의 증가에 비례하여 증가할 수 있다. 진공 챔버(10) 속으로 주입된 물질 가스로서 CH₄가 바람직하다. CH₄는 이것으로부터 플라스마의 효과적인 발생으로 인해 고밀도 탄소 막 생성을 위한 공급원으로서 작용할 수 있다. 따라서 단시간 내에 필름 생성이 구현될 수 있다.

와이어(13)를 코일(11) 속으로 삽입시킴으로써, 와이어(13)의 표면 전체에 걸쳐 탄소 막이 용이하게 생성될 수 있다.

막이 긴 와이어(13)의 표면에 생성될 경우, 코일(11)은 더 길어지도록 늘어날 수 있다. 와이어(13)의 길이가 코일(11)의 높이보다 더 길더라도, 와이어(13)를 코일(11)에 대해 수직으로 이동시킴으로써 또는 그 반대로 코일(11)을 와이어(13)에 대해 수직으로 이동시킴으로써 와이어(13)에 탄소 막을 생성하는 것이 가능해질 수 있다.

와이어(13)의 길이가 도 2에 도시된 바와 같이 수직 방향으로 코일(11)의 길이보다 더 길 경우, 복수 개의 코일(11)을 서로 배치하여 와이어(13)가 그것을 통과할 있도록 되어 있다. 이러한 구조를 채택함으로써, 각각의 코일(11)에서 발생된 플라스마(15)는 서로 중첩되기 때문에 와이어(13)의 전체 길이에 걸쳐 탄소 막이 생성될 수 있도록 해준다. 상기 코일(11)은 측방향으로 연장하도록 위치 설정될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 와이어(13)의 예로는 평판 모양의 와이어(16), 다발 혹은 서로 얽힌 복수 개의 와이어(17) 및 코일 모양의 와이어(18)를 들 수 있다.

이하에서는 특성 평가에 관하여 설명될 것이다. 특성 평가는 전자 방출, 주사 전자 현미경(scanning electron microscope: SEM) 이미지, 및 라만 산란 분광(Raman scattering spectroscopy)에 의해 수행될 수 있다.

전자 방출은 도 4에 된 바와 같이 탄소 막이 생성되어 있는 와이어(13)를 진공에서 1mm의 간격(S)을 두고 타깃(애노드)(19) 근처에 배치하고, 전류를 측정하기 위해 캐소드로서의 와이어(13)와 타깃(19) 사이에 DC 전압을 인가하는 절차에 따라 실시하였다.

도 5는 횡축의 전압과 종축의 전류의 상호 관계를 나타낸 그래프이다. 도 4의 구성에 있어서, 임계 전류는 10A 혹은 8A이고 전압은 970V이다. 일반적으로, 방출 특성(electron emission charateristic)은 4V/㎛(=4KV/mm)이고, 상기 실시예의 경우 970V/mm가 가장 우수한 것으로 밝혀졌다.

와이어(13)의 SEM 이미지를 관측하였고, 방출 특성이 우수한 결정이 성장한 것을 발견하였다. 나노벽의 결정이 충분하게 성장하지 않을 경우, 방출 특성은 악화된다. 결정의 크기가 1 내지 10㎛의 범위일 경우 바람직하며, 결정 크기가 1㎛ 보다 작을 경우, 방출 특성은 악화된다.

라만 산란 분광은 단지 R = I₁₅₈₀/I₁₃₅₀ = 4 내지 8이어야 하고, 상기 실시예에서 R = 5 내지 8로 양호한 결과를 초래한다.

I₁₅₈₀은 1580cm^-1에서의 피크 값(G 밴드)이고, I₁₃₅₀은 1350cm^-1에서의 피크 값(D 밴드)이다.

G밴드는 그래파이트의 E2g 진동 모드에 해당하는 반면에, D밴드는 sp² 미세 결정 혹은 무질서(disorder) sp² 성분(component)에 의해 야기된다. 따라서 큰 R은 더 양호한 결정도와 일치한다.

이러한 구조를 지닌 탄소 막의 생성에 있어서, 탄소 막은 30분의 단시간 동안 300W의 낮은 전력으로 0.1 내지 50Torr 범위의 낮은 압력 하에서 와이어(13) 상에 생성될 수 있다.

와이어(13)를 코일(11) 속으로 삽입시킴으로써, 와이어(13)의 외면 전체에 걸쳐 거의 균일한 두께를 지닌 양질의 탄소 막이 용이하게 생성될 수 있다.

코일(11)에 300W의 전력을 인가하고 필름 생성 시간을 30분으로 하는 전술한 조건은 단지 일례에 불과하다. 상기 전력과 상기 막 생성 시간은 코일의 재료 등에 따라 변한다. 상기 실시예에 있어서, 통상적인 실시에 비해 더 낮은 전력과 더 단축된 시간을 획득하게 된다.

코일(13) 상에 생성된 탄소 막의 예로는 탄소 나노벽, 탄소 나노튜브, 탄소 나노섬유 등이 포함된다.

탄소 나노벽은, 와이어(13) 상에 탄소 나노벽을 생성하는 단계에 앞서 와이어(13)의 표면 상에 탄화물을 생성하기 위해 와이어(13)를 1,000℃로 CH₄와 Ar의 혼합 가스에서 가열시킨 후 전술한 방법에 의해 제조될 수 있다.

이러한 방법으로 탄화물을 생성함으로써, 탄소 나노벽은 탄화물이 없는 경우에 비해 더욱 견고하게 생성된다.

아래의 조건으로 와이어(13) 상에 탄소 필름을 생성하기 위해 Cu로 구성된 상기 코일(11)을 전술한 장치에 사용하였다.

고주파 전원 : 200W

와이어의 가열 온도 : 650℃

가스 유동 : CH₄ : 2ccm 및 H₂ : 18ccm

가스 압력 : 100Pa

필름 형성 시간 : 30분

전술한 조건 하에서 탄소 막이 생성된 와이어(13)는 전계 전자 방출 특성이 양호하였기 때문에, 로우-프로파일드 루미네어(low-profiled luminaire), 표시 장치 혹은 액정 표시 장치용 배광 등의 선형 광원으로서 유용하다.

탄소 막에 생성되어 있는 와이어(13)를 이용하는 선형 광원(linear light source)의 예가 도 6과 도 7을 참조하여 이하에 설명될 것이다.

도 6에는 예컨대, 배광 등에 바람직할 수 있는 선형 광원의 사시도가 도시되어 있고, 도 7에는 그 단면이 도시되어 있다.

선형 광원(20)은 원통형의 진공으로 밀폐된 관(21)을 구비한다. 애노드 섹션(22)은 진공 밀폐관(21) 내에 수용되어 있다. 캐소드 섹션으로서 탄소 막이 생성되는 와이어(23)는 애노드 섹션(22) 바로 위에서 서로 마주보도록 배치되어 있다. 진공 밀폐관(21)의 내측은 10^-6Torr의 진공으로 유지된다.

상기 애노드 섹션(22)은 유리 기판(22a), 이 유리 기판(22a)에 형성된 ITO 사의 제품으로 제조된 애노드(22b) 및 애노드(22b) 상에 생성된 형광 물질(22c)을 포함한다.

애노드 섹션(22)과 함께 각각 단일의 부분으로 이루어진 절연 지지판(28)들은 애노드 섹션(22)의 양단부에서 길이 방향으로 돌출한다. 투명한 전극(22b)에 접속된 도전성 와이어(24)와, 와이어(23)에 접속된 도전성 와이어(25)는 지지판(28)을 통해 삽입되고 그것에 의해 지지된다. 선형 광원(20)에서, 전원 공급부(26)에서 나온 DC 전압이 애노드 섹션(22)과 와이어(23) 사이에 인가될 때, 와이어(23)로부터 전자가 진공 속으로 방출된다. 전자는 애노드(22b)으로 유인되고, 형광 물질(22c)과 충돌한다. 이로 인해, 형광 물질(22c)은 여기되어 광을 방출한다.

(또 다른 실시예)

탄소 나노튜브 등의 탄소 막은 디스플레이, 램프, 나노디바이스(nanodevice) 및 전자총 등의 많은 응용에 필요한 물질이다. 탄소 막을 생성하기 위한 방법으로서 기상 성장법이 사용된다. 기상 성장법에 있어서, 탄소 튜브의 성장 이전에 기판에 사전에 촉매를 생성할 필요가 생긴다.

이와는 대조적으로, 상기 실시예에서는 탄소 막 생성 이전에 기판에 촉매 금속을 미리 공급할 필요가 없다.

도 8에는 상기 실시예에 따른 탄소 막 생성 장치의 간략한 구조가 도시되어 있다. 진공 챔버(31) 내에 코일(32)이 설치되어 있다. 이 코일(32)은 예컨대, Cu, Ni, 스테인리스강, 탄소 등으로 구성되어 있다. 이 코일(32)은 고주파 전원 공급부(33)에 접속되어 있다. 코일(32) 내측에는 탄소 나노튜브 등의 탄소 막이 생성되는 기판이 배치되어 있다. 와이어(34)의 직경은 예컨대, 약 1mm이다. 와이어(34)는 탄소 막의 생성을 위한 촉매로서 역할을 하는 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 금속의 예는 스테인리스강, Fe 및 Ni를 포함한다.

가열 전원 공급부(35)는 와이어(34)에 접속되어 있다. 와이어(34)는 전원 공급부(35)에 의해 700℃ 내지 800℃의 범위의 온도로 가열된다. 와이어(34)는 선형 모양에 한정되지 않고, 코일 혹은 물결 모양일 수 있거나, 비틀린 상태의 복수 개의 와이어이다.

가스 입구(36) 및 가스 출구(37)는 진공 챔버(31)에 장치되어 있다. CH₄ 와 H₂, CH₄ 와 Ar, CH₄ 와 O₂ 등의 물질 가스와 운반 가스를 포함하는 탄소는 가스 입구(36)로부터 주입되고, 처리 후 가스는 가스 출구(37)를 통해 흘러 나가도록 강제된다.

가스압(총 압력)은 10Pa 내지 1,000Pa의 범위인 것이 바람직하다.

DC 전원 공급부(38)는 와이어(34)에 접속되어 있다. DC 부전압이 와이어(34)에 인가된다.

상기 실시예는 탄소 막이 생성되는 와이어(34) 상에 사전에 촉매 금속을 형성하는 단계를 포함하지 않는다. 와이어(34)는 진공 챔버(31) 내에서 코일(32)에 삽입 및 지지된다.

그 다음, 전류가 와이어(34)에 공급되어 그 와이어를 가열한다. 다른 한편으로, DC 부전압이 와이어(34)에 인가된다. 추가적으로, 고주파 전력은 코일(32)에 공급된다. 물질 가스는 그것의 유동 속도가 제어되면서 가스 입구(36)를 통해 주입된다. 이로 인해, 플라스마(39)가 코일(32) 내에서 발생한다. 물질 가스는 플라스마(39)에 의해 여기되어 와이어(34)의 외면에 탄소 막을 생성한다.

사전에 와이어(34)에 촉매 금속을 형성하는 이유에 대해 이하에 설명될 것이다.

DC 부전압이 와이어(34)에 인가된다.

따라서 와이어(34)의 표면이 스퍼터링(sputtering) 된다.

스퍼터링된 와이어(34)에 포함된 촉매 금속의 미세 입자는 와이어(34) 쪽으로 유인되고, 상대적인 고압으로 인해 와이어(34)의 표면에 고착된다.

고착된 미세 입자는 나노튜브 등의 탄소 막을 성장시키기 위한 촉매로서의 역할을 한다.

그 다음, 성장을 위한 조건 특히, DC 바이어스 전압이 변하고, 생성된 막의 상태와 전자 방출 특징을 평가하였다.

생성된 막의 전자 방출 특성은 도 9에 도시된 바와 같은 방법으로 측정되고, 탄소 나노튜브가 생성되어 있는 와이어(34)는 진공에서 1mm의 틈새를 두고 애노드(40) 위로 배치된다. DC 전압은 애노드으로서 와이어(34)에 인가된다. 5V/㎛에서 방출 전류를 측정하였다.

표 1에는, 막 생성을 위한 조건, 방출 특성, SEM 이미지로서 막의 상태의 평가 결과가 표시되어 있다.

조건번호	가스 유동 속도(sccm)		입력 전력 (W)	전압 (V)	전류 (A)	시간 (분)	온도 (℃)	바이어스 (V)	압력 (Pa)	막 상태	원시 방출 특성(5V/μm)
			H2
1	2	18	200	3.5	8	60	742	0	100	CNW(소)	없음
2	2	18	200	3.7	8	120	700	-25	100	CNW(중)	0.8μA
3	2	18	200	3.7	8	120	710	-50	100	CNW(대)	0.24 μA
4	2	18	200	3.38	8	60	830	-100	100	계단 모양의 그래파이트	0.52μA
5	6	14	200	3.84	8	120	711	-100	100	그래파이트 성장	2μA
6	2	18	200	3.5	8.2	60	700	-160	100	CNT(소량)	없음
7	2	18	200	3.9	8.1	60	750	-160	100	CNT	11μA
8	2	18	200	3.4	8	60	700	-160	100	CNT	5.4μA

표 1에서, 입력 전력은 코일(32)에 공급된 고주파 전력을 가리키며, 전압과 전류는 와이어(34)를 가열하기 위해 와이어에 인가되고 그것으로 공급되는 전압과 전류를 가리키고, 시간은 막 생성을 위한 시간 주기를 가리키며, 온도는 와이어의 온도를 가리키고, 압력은 CH₄ 와 H₂의 혼합물의 총 압력을 가리키며, 그리고 전자방출 특성은 전술한 방법으로 측정된 방출 전류를 가리킨다.

도 10a 및 도 10b 내지 도 17a 및 도 17b는 각각의 조건에 따라 생성된 탄소 막을 보여주는 SEM 이미지 사진이다.

조건 번호 1은 DC 부전압이 인가되지 않는 조건으로, 탄소 나노벽(CNW)들의 작은 성장이 관찰되었다. 5V/㎛에서의 전자 방출 전류가 인지되지 않았다.

조건 번호 2 내지 5는 DC 부전압의 절대값이 증가되는 조건으로, 탄소 나노벽(CNW)들의 성장은 DC 부전압의 증가에 따라 더 커지게 된다. 더욱이, 그래파이트의 성장이 관찰되었다. 5V/㎛에서의 전자 방출 전류의 증가가 인지되었다.

조건 번호 6 내지 8에 나타낸 바와 같이 -160V의 DC 전압에서 탄소 나노튜브(CNT)들의 성장이 인지되었다.

조건 번호 7 및 8에서, 5V/㎛에서의 전자 방출 전류의 증가가 인지되었다. DC 부전압의 절대값이 100V 이상인 것이 바람직할 수 있다.

도시된 바와 같이, 와이어(34)에 DC 부전압을 인가한 상태에서 플라스마 CVD를 실행함으로써, 촉매가 사전에 형성되지 않는 와이어(34) 상에 탄소 나노튜브가 생성될 수 있다.

도 17a 및 도 17b에 특별한 주위를 기울어야 한다. 이 경우 탄소 나노튜브는 탄소 막의 개념적인 구조로 도 17c에 도시되어 있다. 높은 종횡비(aspect ratio)로 탄소 나노튜브 말단의 편향 혹은 마모에 의해 탄소 나노트리는 단독으로 발광 기능의 변동과 휘도의 변화를 초래한다. 다른 한편으로, 조밀하게 집합된 탄소 나노튜브는 전계 집중(electric field concentration)을 실현하기 어렵거나 또는 결핍된다. 따라서 몇몇 경우, 많은 탄소 나노튜브 클러스터는 그룹으로 분할되고, 각각의 그룹은 다수의 탄소 나노튜브가 집합되어 있는 탄소 섬유 다발로 형성된다.

그러나 종래의 섬유 다발에서, 다발로 된 탄소 튜브는 그것의 기단면과 말단 면 양쪽에 조밀하게 집합되기 때문에 탄소 섬유 다발 자체가 비록 쉽게 전계 집중을 유발하지만, 통상적인 탄소 섬유 다발은 전계 집중이 생기기 어렵다는 문제점을 여전히 안고 있다.

도 17c에 도시된 탄소 섬유 다발은 탄소 튜브들이 집합되어 있는 기단면과, 탄소 튜브들이 집합되지 않고 꽃잎처럼 외측을 퍼져있는 말단면을 구비한다. 따라서 전계 집중은 탄소 나노튜브 단독으로 행해지는 것과 마찬가지로 극히 쉽게 일어나는 반면 탄소 나노튜브의 말단부의 편향 혹은 마모는 대개 발광에서 변동과 휘도의 변화를 초래하기 더 어렵게 만들며, 이는 단독의 탄소 나노튜브와는 다르다. 도 17의 탄소 막을 생성하기 위한 조건은, CH₄ 와 H₄의 유동 속도가 각각 2ccm 및 18ccm, 기판 온도는 650℃, 압력이 100Pa, AC 전력은 200W, 바이어스가 -100V, 그리고 막 생성 시간이 30분이 되도록 설정하였다.

탄소 나노튜브가 생성되어 있는 와이어(34)가 너무 길어 코일(32)의 플라스마 발생 영역 바깥으로 연장할 경우, 와이어(34)는 코일(32)에 대해 양호하게 이동하여 와이어(34)의 전장을 가로질러 막을 생성하게 된다.

와이어(34)가 도 18에 도시된 바와 같이 코일(32)보다 더 길 경우, 다수의 코일(32)은 와이어(34)의 길이 방향을 따라 서로 배치된다. 이러한 구조를 채택할 경우, 코일(32)에 발생한 플라스마는 서로 중첩되어 와이어(34) 전체에 걸쳐 막을 생성하게 된다.

도 19에 도시된 바와 같이, 코일(32)의 길이 방향 중간 부분(32a)의 권선 직경을 더 크게 하는 반면에 양단부(32b)에서의 권선 직경을 더 작게 하여 중간 부분에서 플라스마를 효과적으로 감금시켜 막 생성 속도를 증가시킬 수 있다.

(또 다른 실시예)

또 다른 실시예로서, 도 20에 도시된 정전용량 결합 형태(capacitive coupling type)의 플라스마 CVD 장치에서 DC 부전압이 와이어(41)에 인가되는 경우가 도시되어 있다. 와이어(41)는 히터(42) 등에 의해 간접적으로 가열될 수 있다. DC 전압의 인가는 단지 탄소 나노튜브 막 생성의 초기 단계에서 실행될 수 있다.

(또 다른 실시예)

플라스마를 이용하는 탄소 막 생성 장치에 있어서, 코일이 진공 챔버의 외면 둘레에 감기게 된다. 고주파 전원 공급부에서 나온 전류는 진공 챔버 내에서 플라스마를 발생하도록 코일로 공급된다. 상기 생성 장치에 있어서, 고주파 전원 공급부로부터 임피던스 정합 회로(impedance matching circuit)를 통해 고주파 전원을 공급할 필요가 생긴다.

따라서 플라스마 발생 장치를 이용하여 긴 와이어의 표면에 막을 생성하기 위해서는 코일을 늘려 플라스마가 더 길게 되도록 만들어야 하기 때문에 많은 임피던스 정합 회로들이 설치되어야 한다. 그 결과 현저한 비용 상승을 초래하게 된다.

상기 실시예에 있어서, 탄소 막 생성 장치는 코일이 늘어날 수 있도록 하여 임피던스 정합 회로를 사용할 필요 없이 플라스마가 더 길게 될 수 있도록 해준다.

상기 실시예에 따른 탄소 막 생성 장치에 있어서, 원주벽의 적어도 일부에 개구가 구비되어 있는 도전성 원통형 부재는 감소된 압력 하에서 플라스마 발생 가스 분위기로 충전되어 있는 진공 챔버 내에 설치되어 있다. DC 부전압은 원통형 부재의 일단부 쪽에 인가된다. 개구를 지닌 원통형 부재들은 나선 모양의 원주벽을 지닌 코일과, 메시 네트 혹은 슬릿이 구비된 원주벽을 지닌 하나의 원통형 부재를 포함한다. 원통형 부재는 그들의 공간에 플라스마를 감금할 수 있는 임의의 형상을 채택할 수 있다.

상기 실시예에서, DC 부전압은 원통형 부재의 일단부 쪽에 인가된다. 코일의 타단부 쪽에는 DC 전원 공급부가 접속되어 있다. 코일의 타단부 쪽은 예컨대, 부유 상태로 있다. 이러한 구조를 채택함으로써, 플라스마가 발생되어 코일의 내측 공간에 갇힐 수 있다.

이러한 장치는, 코일이 늘어나 있다면 코일의 연장부에 임피던스 정합 회로를 설치하기 위해 어떠한 요구 사항도 필요로 하지 않는다. 따라서 코일의 연장부는 매우 간단하다. 탄소 막 생성 장치는 쉽게 저비용으로 구성될 수 있다. 추가적으로 긴 플라스마가 장시간에 걸쳐 안정적으로 유지될 수 있다.

탄소 막이 상기 장치의 용례와 마찬가지로 긴 막 생성 대상물의 표면에 생성될 경우, 코일은 단지 막 생성 대상물의 길이와 접합되도록 연장되어야 한다. 따라서 막 생산비는 낮아지게 된다. 이러한 탄소 막 생성 장치에 있어서, 전자 방출을 위한 탄소 막은 캐소드와 애노드를 가로지른 전계의 인가에 의해 전자가 방출되도록 전자 방출을 위한 캐소드로서 와이어의 표면에 생성된다. 상기 전자는 형광 물질과의 충돌을 일으켜 그 물질이 발광을 위해 여기될 수 있도록 해준다.

상기 탄소 막 생성 장치는 플라스마 CVD 장치, 플라스마 에칭 장치 및 플라스마 도금 장치 등의 플라스마 처리를 행하는 플라스마 발생 장치로서 사용될 수 있다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 또 다른 실시예가 설명될 것이다.

도 21을 참조하면, 탄소 막 생성 장치(50)에는 스테인리스강 등의 금속으로 구성된 원통형의 진공 챔버(52)가 설치되어 있다. 진공 챔버 자체는 금속으로 구성될 수 있다. 이 진공 챔버(52)는, 외측 원주벽면이 안전을 고려하여 절연 물질로 피복되고 내측 원주벽면은 금속으로 구성되도록 구성될 수 있다. 진공 챔버(52)용 금속 재료에 대해서는 어떠한 제한은 없다.

진공 챔버(52)는 접지되어 있다. 가스 입구(54)와 가스 출구(56)가 진공 챔버(52)에 마련되어 있다. 플라스마 가스 발생 가스는 활성 가스와 불활성 가스를 포함한다. 예컨대, 수소 가스는 활성 가스로 사용된다. 예컨대, 아르곤 가스는 불활성 가스로 사용된다. 진공 챔버 내의 압력은 10Pa 내지 10,000Pa 범위에 속하는 것이 바람직하다.

금속 코일(58)은 진공 챔버(52) 내에 배치된다. 코일(58)의 재료에 대해서는 어떠한 제한은 없다. 코일(58)의 재료의 일례로는 스테인리스강이 있다.

코일(58)의 일단부 쪽은 DC 전원 공급부(60)의 음극에 접속되고 DC 부전압은 코일(58)의 타단부 쪽에 공급된다. DC 전원 공급부(60)의 양극은 접지되어 있다. 이러한 구조를 채택함으로써, 진공 챔버(52)의 내측은 DC 전원 공급부(60)의 양전위와 동등한 전위에 있게 된다.

코일(58)의 타단부 쪽은 부유 상태로 있게 된다. 코일(58)의 타단부 쪽은 반드시 부유 상태로 있을 필요는 없다. 코일(58)의 상기 타단부 쪽은 상기 일단부 쪽에 접속되어도 좋다. 코일(58)의 와이어 직경에 대해서는 특별한 제한은 없다. 이 직경은 예컨대, 2mm 내지 25mm 범위 내에 속한다. 코일(58)의 와이어 권선 사이의 간격에 대해서도 어떠한 제한은 없다. 이 공간은 예컨대, 2mm 내지 20mm 범위 내에 속한다. 와이어 직경과 와이어 권선 사이의 간격은 실험 등을 통해 적절하게 결정될 수 있다.

DC 전원 공급부(60)는 전압 가변형이 바람직하다. DC 전원 공급부(60)의 전압은 100V 내지 2,000V 범위 내에 속한다. DC 전원 공급부(60)의 전압은 실험 등을 통해 적절하게 결정될 수 있다.

전술한 구성을 지닌 탄소 막 생성 장치(50)에 있어서, 진공 챔버(52) 내의 압력은 감소한다. 수소 가스는 플라스마 발생 가스로서 가스 입구(54)를 통해 주입된다. DC 전원 공급부(60)의 DC 부전압이 코일(58)에 인가된다. 따라서 플라스마(64)가 코일(58)의 내측 공간에서 발생된다.

도 22 및 도 23은 상기 실시예에 따른 본 발명자에 의해 제조되어 연구실에서 설치된 탄소 막 생성 장치(50)에 의해 코일(58)의 내측 공간에 플라스마(64)가 발생하는 상태를 도시하는 사진이다. 사진에 부호로 표시되지 않았지만, 코일(58), 코일(62) 및 플라스마(64)는 분명하게 사진으로 찍혀있다.

이하에서는 상기 탄소 막 생성 장치(50)를 이용하여 탄소 막을 생성하기 위한 방법이 설명될 것이다.

와이어(62)는 코일(58) 내에 삽입되어 있다. AC 전원 공급부(63)는 와이어(62)를 가열하기 위해 와이어(62)의 양단에 접속되어 있다. H₂ 가스 및 CH₄ 가스는 가스 입구(54)를 통해 주입된다. 진공 챔버 내의 압력은 감소하고 DC 전원 공급부(20)의 음전위는 코일(58)에 인가된다. 플라스마(64)는 이러한 음전위 인가에 의해 코일(58)의 내측 공간 내에서 발생한다. 이러한 구조를 채택함으로써, CH₄ 가스는 분해되어 와이어(62)의 표면에 탄소 막을 생성하게 된다.

도 21의 탄소 막 생성 장치에 의해 생성된 탄소 막의 상태를 설명한다. 탄소 막 생성을 위한 조건은 CH₄ 와 H₄의 유동 속도가 각각 5ccm 및 300ccm, 기판 온도는 750℃, 압력이 2,000Pa, DC 전력은 3,000W, 바이어스가 -120V, 그리고 막 생성 시간이 30분이 되도록 설정된다. 이러한 제조 조건으로 제조함으로써, 제1 막(F1), 제2 막(F2), 제3 막(F3)을 갖는 다음과 같은 구조의 탄소 막이 생성된다.

제1 막(F1)은 그물 모양의 탄소벽이다. 제2 막(F2)은 제1 막으로 에워싸여 있다. 제2 막(F2)은 전자 방출 지점으로서의 역할을 하는 바늘 모양으로 각각 이루어진 말단부들을 구비한다. 제2 막(F2)은 제1 막보다 더 높은 말단부를 지닌다. 제3 막(F3)은 제2 막(F2)의 기단부와 얽히도록 생성된다.

제1 막(F1)은 연속적으로 기판(S) 상에 생성되고, 평면도에서 대개 그물 모양으로 형성되는 것으로 가정한다. 제1 막(F1)의 높이(H)는 약 10nm 이하이고, 그것의 폭(W)은 약 4nm 내지 8nm 범위에 속한다. 제2 막(F2)은 제1 막(F1)의 높이(H)보다 예컨대, 약 60㎛ 더 높은 높이(h)로 형성되어 있다. 제3 막(F3)은 거의 산 바닥(mountain bottom)의 프로파일로 되어 있다. 이 프로파일은 예컨대, 원추형이다. 그러나 상기 프로파일은 이해를 돕기 위해 표현하면 완전한 원추가 아니고, 실제는 측방향으로 연장하는 베이스 상태 및 나선 상태 등의 다양한 종류의 프로파일이다. 어떻게든 제3 막(F3)은 광범위의 영역에서 기판(S)과 접촉 상태로 되어 제2 막(F3)을 기계적 강도를 갖도록 기판(S)에 유지시키고 이와 동시에 기판(S)과의 전기 접촉을 보장해준다.

전계는 제2 막(F2)의 말단부에서 강하게 집중된다. 전계 집중은 제1 막(F1)에서 일어나지 않는다. 제2 막(F2)의 말단부들은 전계 집중 작용에서 서로 간섭되지 않도록 제1 막(F1)에 의해 서로로부터 적절한 값의 간격(D) 예컨대, 100㎛의 간격을 두고 이격되어 있다. 제2 막(F2)의 집합 정도는 종래의 탄소 나노튜브에서 추정되는 것과 같이 조밀하게 집합된 상태가 아니며, 제2 막(F2)의 전계 집중에서 각각의 제1 막(F1)에 의한 영향은 매우 작다.

이하에서는 탄소 막 구조의 작용을 설명할 것이다.

(1) 제2 막(F2)의 자세는 제3 막(F3)에 의해 지지되어 있고 매우 안정적이기 때문에 안전한 전자 방출을 확보할 수 있다.

(2) 제2 막(F2)은 높은 얼라인먼트(alignment)와 양호한 전기 방출 특성이 있다. 따라서 전계 방출 램프(field emission lamp)에서, 형광 물질은 균일하게 여기될 수 있고 균일하게 발광한다. 따라서 전계 방출 램프를 사용하여 균일한 발광을 구현할 수 있다.

(3) 제2 막(F2)은 제3 막(F3)에 의해 기판 상에 견고하게 유지되어 종횡비가 높더라도 높은 안전성의 전자 방출원이 전계 방출 램프에 마련될 수 있다.

(4) 제2 막(F2)의 직경이 작더라도, 전류를 공급하기 위해 기판과의 양호한 전기 접촉이 제3 막(F3)에 의해 보장될 수 있다.

(5) 제2 막(F2)의 공간이 제1 막(F1)에 의해 제한되기 때문에 제2 막(F2)의 집중은 제한될 수 있다. 따라서 제2 막(F2)은 높은 전계 집중 성능에 영향을 미칠 수 있다.

제2 막(F2)에서, FN(Fowler-Nordheim) 방정식의 전계 집중 계수(β)는, 임의의 위치(본 실시예에서는 기단부)에서의 반경을 r로 표시하고, 이 위치에서 말단부까지의 높이를 h로 표시할 때, h/r의 식으로 표현된다. 제2 막(F2)의 반경은 임의의 위치로부터 말단부로 갈수록 더 작아지도록 경사져 있다. 이렇게 "경사져 있다"라는 설명은 반경이 임의의 위치와 말단부 사이에서 국부적으로 더 크더라도 반경이 말단부로 갈수록 더 작아지도록 전반적으로(globally) 경사지는 경우를 포함한다. 임의의 위치와 말단부 사이의 중간 부분이 직선일 경우에 어떠한 제한을 필요로 하지 않는다. 상기 중간 부분은 직선이 아니고 곡선, 만곡선 등과 같이 변형된 프로파일이라도 좋고, 상기 프로파일은 전반적으로 경사져 있기 때문에 반경은 말단부를 향해 갈수록 더 작아지게 된다. 전술한 설명에서, 임의의 위치는 기단 부분에만 한정되지 않고 중간 부분 내의 소정의 위치일 수 있다.

이러한 구조를 갖는 제2 막(F2)은 인가된 전압이 낮을 때 최대 전계 집중 부분으로서 최소 반경을 갖는 말단부에서 전계 방출을 행한다. 상기 부분에서 전계 방출이 포화에 이르면, 전계 방출 사이트가 전계 방출이 말단부에서 지속되는 동안 더 큰 직경을 지닌 부분으로 점진적으로 퍼진다.

따라서 인가된 전압이 상승하면, 전계 방출은 말단부에서의 전계 방출이 포화된 이후에라도 다른 부분에서 지속된다. 그 결과, 전계 방출은 인가된 전압 증가를 동반하여 향상된다. 따라서 전자 방출이 포화되기 어려운 탄소 막이 얻어지게 된다.

상기 Fowler-Nordheim 방정식은 진공에서 방출된 전류 밀도를 표현하는 전계 방출 공식이다. 이 식은 다음과 같이 표현된다. 즉,

I = sAF²/φexp(-B^3/2/F)

F =

V

이 식에서, I는 전계 방출 전류를 표시하며, s는 전계 방출 면적을 표시하고, A는 상수를 표시하며, F는 전계 강도를 표시하며, φ는 일함수를 표시하고, B는 상수를 표시하며,

는 전계 집중 계수를 표시하고 그리고 V는 인가된 전압이다. 전계 집중 계수

는 인가된 전압(V)을 장치의 말단부의 형상과 기하학적 모양에 따라 전계 강도(V/cm)로 변환시킬 때 사용하는 계수이다.

도 24에는 또 다른 실시예에 따른 탄소 막 생성 장치의 구조가 도시되어 있다. 이 탄소 막 생성 장치(50)에서 DC 전원 공급부(60)의 양극은 진공 챔버(52) 내에 배치된다. 상기 탄소 막 생성 장치(50)에서도 마찬가지로 플라스마(64)는 코일(58)의 내측 공간에서 발생한다.

(또 다른 실시예)

상기 실시예는 신규의 탄소 막 구조물(탄소 금속 나노트리라고 칭할 수 있음)에 관한 것이다.

탄소 나노튜브는 높은 종횡비를 갖는 막대 모양 구조물이다.

탄소 나노튜브는 말단부가 바늘 모양으로 되어 있기 때문에 낮은 전계 하에서 전계 집중을 쉽게 일으킨다.

탄소 나노튜브는 전계 방출 타입의 전자 방출원으로서 사용된다.

전자 방출원으로서 탄소 나노튜브는 캐소드 쪽에 배치된다. 형광 물질이 고착되어 있는 애노드는 캐소드 반대편에 배치되어 있다. 전압은 애노드와 캐소드 사이에 인가된다. 이러한 구성을 채택할 경우, 전계는 탄소 나노튜브의 말단에 집중된다. 따라서 전자는 탄소 나노트리의 말단부로부터 방출된다.

방출된 전자는 형광 물질과 충돌하여 그 형광 물질을 여기시켜 그로부터 광을 방출한다. 이 경우, 형광 물질은 전자와의 충돌에 의해 단지 작은 영역(발광 지점)에서 여기되고, 그리고 그 영역으로부터 광을 방출하다. 따라서 탄소 나노튜브의 말단부들은 광 방출 지점의 밀도를 향상시키기 위해, 다시 말해서 높은 휘도의 광 방출을 실현하기 위해 높은 밀도로 집중될 필요가 있다.

탄소 나노튜브의 경우, 전계 집중은 말단부들이 이들의 높은 종횡비로 인해 고밀도로 집중될 경우 일어나기 어렵다.

탄소 나노튜브는 높은 종횡비를 갖기 때문에 저항 값은 높다. 따라서 전류량은 부족하고, 전자 방출 성능에 영향을 받게 쉽게 된다. 따라서 높은 전자 방출 성능을 유지하기 위해 높은 전력 소모가 필요하게 된다.

상기 실시예는 높은 밀도의 전자 방출점(electron emission point), 높은 종횡비, 높은 도전성 및 낮은 전류 소모 등의 장점을 갖는 탄소 막 구조물을 제공한다.

상기 탄소 막 구조물은 2개의 부분으로 구성되는 데, 그 중 한 부분은 나무줄기처럼 연장하는 탄소 나노튜브(트렁크형 탄소 나노튜브이라 칭함)이고, 다른 한 부분은 나무가지처럼 높은 얼라인먼트로 트렁크형 나노튜브로부터 분기된 다수의 탄소 나노튜브(분기형 탄소 나노튜브라 칭함)이다.

전체적으로 나무로 구성되는 탄소 나노튜브의 내면 혹은 외면 상의 몇몇 지점에 금속이 존재한다.

분기형 탄소 나노튜브는 각각 전계 집중이 쉽게 일어나는 전자 방출 지점들을 제공한다.

따라서 전술한 탄소 막 구조물은 고효율로 전자를 방출할 수 있는 냉음극 전자원(cold cathode electron source)으로 구성될 수 있다. 추가적으로, 금속이 탄소 나노튜브의 내측 공간에 포함되어 전도성을 향상시킨다. 따라서 전류 공급 성능이 향상되어 전자 방출 성능을 증대시킨다.

상기 포함된 금속은 탄소 나노튜브 및 그 합금 성장용 금속 촉매인 철, 니켈 및 코발트로 이루어진 그룹에서 선택되는 한 종류 이상의 마그네틱 금속일 수 있다. 따라서 상기 탄소 구조물은 자기 기록 재료(magnetic recording material), 슬라이딩(sliding) 재료, 내마모성 재료, 반도체 재료 등으로 적용될 수 있다.

종래에는, 금속을 탄소 튜브에 내포시키기 위한 실질적인 방법이 발견되지 않았다. 예컨대, 금속 촉매가 그 속으로 반죽되어 있었던 탄소 전극들 사이에서 아크 방전이 행해지고, 생성된 탄소 숫(soot)으로부터 탄소 나노튜브를 격리시키는 방법이 사용되어 왔다. 상기 격리 방법은 소량의 금속이 포함되도록 해준다. 다른 종래 방법에 있어서, 나노튜브의 말단에 개구가 형성되어 있고, 이 개구를 통해 용융 금속이 주입된다. 이러한 주입 방법은 소량의 금속이 포함되도록 해준다.

상기 실시예의 탄소 막 구조물은 다량의 금속을 포함한다. 나노스케일의 금속이 그 내부에 안정적으로 유지된다. 상기 구조물은 도전성과 마그네틱 특성을 발휘하기 때문에 많은 산업 분야에서 사용될 수 있을 것이라고 예측할 수 있다. 예컨대, 마그네틱 디스크 등의 저장 매체에 응용할 수 있다.

상기 실시예의 탄소 필름 구조물은 분기형 탄소 나노튜브가 각각의 트렁크형 탄소 나노튜브와 고도로 정렬되어 있는 구조이다. 따라서 트렁크형 탄소 튜브에 포함된 금속이 또한 높은 얼라인먼트로 되어 있기 때문에, 마그네틱 특성은 안전성에 있어서 우수하다.

상기 실시예의 탄소 필름 구조물은 높은 발광 정밀도와 높은 전자 방출 성능을 지닌 냉음극 전자 공급원에 적용될 수 있다. 추가적으로 금속이 포함되기 때문에 탄소 막 구조물은 자기 기록 재료, 슬라이딩 재료, 내마모성 재료, 반도체 재료 등으로 적용될 수 있다.

이하에서는 탄소 금속 나노트리의 제조 예에 관하여 설명될 것이다.

탄소 나노튜브의 성장을 위한 촉매 금속을 포함하는 금속 코일이 진공 챔버에 배치된다. 금속 코일은 단일의 권선 또는 복수의 권선 중 하나의 형태일 수 있다. 높은 저항력을 지닌 금속 와이어가 금속 코일 내에 배치된다. 진공에서 압력이 감소하며 그 다음 수소 가스와 탄소 함유 가스의 혼합 가스가 진공 챔버 속으로 주입된다. 금속 와이어의 전위는 음으로 유지되고 금속 와이어는 전류를 공급함으로써 가열된다. 고주파 전압은 금속 코일과 이웃하여 혼합 가스로부터 플라스마를 발생시키기 위해 금속 코일의 양단부 사이에 인가된다. 상기 실시예의 탄소 막 구조물인 탄소 금속 나노트리는 플라스마에 의해 금속 와이어 표면에 생성된다.

금속 코일은 오직 촉매 금속으로만 형성될 수 있다. 금속 코일은 그 위에 형성된 촉매 필름을 지닌 금속 코일일 수 있다. 촉매 금속으로는 Fe, Ni 및 Co가 바람직하다. 다른 촉매 금속으로는 Y, Rh, Pd, Pt, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er 및 Lu를 포함한다. 금속 코일의 재료는 18-8 스테인리스강(SUS304) 등의 니켈계 스테인리스강; 18 크롬 스테인리스강(SUS430) 및 13 크롬 스테인리스강(SUS410) 등의 크롬계 스테인리스강을 포함한다(전부 JIS에 명명법에 따라 분류함 것임).

니크롬 와이어가 금속 와이어로서 사용될 수 있다. 금속 와이어의 가열 온도는 약 500℃ 내지 1,000℃ 범위일 수 있다. 금속 와이어는 약 -20V 내지 -400V 범위의 부전위에서 유지될 수 있다.

진공 챔버 내의 압력은 10Pa 내지 1,000Pa 범위에 속할 수 있다. 탄소 함유 가스는 메탄 가스에 추가하여 아세틸렌, 에탄 및 다른 원소 등의 탄화수소로부터 선택될 수 있다.

전술한 단계들에 의해, 플라스마 공간은 금속 코일의 근처에서 혼합 가스로부터 형성되고, 금속 코일에 포함된 촉매 금속은 플라스마의 작용에 의해 스퍼터링되고, 스퍼터링된 금속 입자는 금속 와이어의 표면에 고착된다. 촉매 금속이 금속 와이어에 고착된 후, 탄소 나노튜브는 금속 와이어 상의 촉매 금속의 작용에 의해 금속 와이어의 표면에서 성장하기 시작한다. 이러한 성장 동안, 트렁크형 탄소 나노튜브는 성장하고, 트렁크형 나노튜브의 성장과 동반하여 분기하면서 분기형 탄소 나노튜브가 성장한다.

다른 한편, 촉매 금속은 탄소 나노튜브의 성장과 동시에 탄소 나노튜브 내의 공간에 포함된다. 이 경우, 탄소 튜브의 금속 와이어측은 고주판 전압이 금속 코일에 인가되는 동안 음전위에서 유지되며, 트렁크형 탄소 나노튜브는 고주파 전압의 인가에 의해 형성된 전계의 방향 즉, 등전위면에 수직한 방향으로 정렬된다. 트렁크형 탄소 나노튜브의 성장에 평행하게, 분기형 탄소 나노튜브는 동일한 방향으로 정렬된다. 따라서 트렁크형 탄소 나노튜브와 고도의 얼라인먼트 상태에서 금속을 포함하는 트렁크형 탄소 나노튜브 각각의 복수개의 사이트로부터 분기형 탄소 나노튜브가 분기되어 있는 트리 구조물을 지닌 탄소 막 구조물이 얻어진다.

전술한 생성 단계를 통해 생성된 탄소 막 구조물은 도 25 내지 도 30의 전자 현미경 사진에 나타나 있다. 이러한 생성을 위한 조건은 진공 챔버의 압력을 100Pa로 하고, 금속 코일을 18-8 스테인리스강(SUS304)으로 구성하며, 금속 와이어를 니크롬 와이어로 하고, 니크롬 와이어의 가열 온도를 그 내부에 전류를 인가하여 700℃로 하며, 니크롬 와이어의 음전위를 -100V로 하고, 그리고 혼합 가스가 수소 가스와 메탄 가스를 포함하도록 설정한다.

배율 x5,000의 사진에 있어서, 많은 분기형 탄소 나노튜브가 고도의 얼라인먼트에서 각각의 트렁크형 탄소 나노튜브로부터 분기된다는 것이 발견되었다. 배율 x10,000의 사진에 있어서, 많은 분기형 탄소 나노튜브가 고도의 얼라인먼트에서 각각의 트렁크형 탄소 나노튜브로부터 분기된다는 것이 발견되었다. 도 27의 사진에 있어서, 100nm 축척과 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 많은 분기형 탄소 나노튜브가 고도의 얼라인먼트에서 각각의 트렁크형 탄소 나노튜브로부터 분기된다는 것이 발견되었다. 도 28의 사진에 있어서, 100nm 축척과 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 많은 분기형 탄소 나노튜브가 고도의 얼라인먼트에서 각각의 트렁크형 탄소 나노튜브로부터 분기된다는 것이 발견되었다. 도 29의 사진에 있어서, 많은 분기형 탄소 나노튜브가 고도의 얼라인먼트에서 각각의 트렁크형 탄소 나노튜브로부터 분기된다는 것이 발견되었다. 도 30의 사진에 있어서, 많은 분기형 탄소 나노튜브가 고도의 얼라인먼트에서 각각의 트렁크형 탄소 나노튜브로부터 분기된다는 것이 발견되었다. 그 밖에 금속이 각각의 트렁크형 탄소 나노튜브 내에 포함되어 있는 것이 발견되었다.

(또 다른 실시예)

평면상으로 펼쳐지는 조명을 제공하는 면광원(surface light source)은 바로 아래에 위치하는 타입과 가장자리 광 타입을 포함한다. 바로 아래에 위치하는 타입에서, 면광원은 액정 표시 장치 바로 아래에 배치된다. 가장자리 광 타입에서, 도광판(light guide plate)은 액정 표시 장치 바로 아래에 배치된다. 면광원은 도광판의 단부 쪽에 평행하게 배치된다. 최근에는 로우-프로파일 배향형 퍼스널 컴퓨터와 로우-프로파일 텔레비전 수신기에서 바로 아래에 위치하는 타입 대신에 가장자리 광 타입이 주류를 이룬다. 가장자리 광 타입에서, 도광판에 입사하는 광의 낮은 투사 효율로는 높은 휘도를 기대하기는 어렵다. 바로 아래에 위치하는 타입에서, 광은 액정 표시 장치로 직접 발사되기 때문에, 광의 투사 효율이 매우 높게 된다.

전술한 바로 아래에 위치하는 타입의 면광원은 후방 패널과 전방 패널 사이에서 내부에 진공으로 밀봉된 상태로 그 위에 형성된 형광 물질을 지닌 애노드와, 이 애노드 반대편에 전자 방출 캐소드가 배치되어 있는 전계 방출 램프를 포함한다.

전계 방출 램프에서는 전방 패널 쪽이 액정 표시 장치의 후면에 고착되고, 램프 내에서 발광이 전방 패널을 그 사이에 두고 액정 표시 장치로 향하도록 구성되어 있다. 상기 전방 패널은 액정 표시 장치로 향하는 광의 입사 효율을 증대시키기 위해 유리 등의 투명 부재로 구성되어 있다.

전계 방출 램프에서, 그 램프의 전방 패널은 형광 물질에 의해 방출된 열로 인해 열적으로 팽창한다. 이 경우, 전방 패널은 유리로 구성되어 있다. 애노드 섹션은 금속 물질로 구성되어 있다. 따라서 전방 패널과 애노드 섹션 사이에 열팽창의 차이가 생긴다. 이러한 열팽창의 차이에 의해, 열응력이 전방 패널에서 발생한다. 이러한 열응력은 면광원의 발광 및 비발광의 반복과, 내부 진공과, 그리고 얇은 전방 패널 요인의 동시적인 영향 하에서 전방 패널을 변형시킨다. 상기 전방 패널의 변형은 극단적인 경우 휘도의 균일성 감소와 파손을 초래할 가능성이 있다.

상기 실시예에서, 전방 패널의 변형과 그것의 파손은 효과적으로 방지된다. 이 실시예에서, 전방 패널에서 발생된 열응력을 완화시키는 열응력 완화 물질이 전방 패널과 애노드 사이에 제공된다. 이러한 열응력 완화 물질로서 층이진 구조의 이완 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, 운모가 이완 물질로서 사용된다. 상기 층이진 구조는 전방 패널 내의 열응력과 애노드 섹션 내의 열응력이 소정의 평면 상에서 양방향으로 향하여 장력을 초래할 때, 그것의 층이진 구조로 인해 그 내부에서 발생된 열응력을 완화시킬 수 있다. 운모의 예는 소다 운모, 적운모, 백운모, 흑운모, 금운모, 철운모(이상 천연 운모)를 포함하지만, 천연 운모는 가열에 의한 물 소실과 함께 OH 기를 소실하기 때문에 OH 기가 F로 치환된 합성 운모가 바람직하다.

열응력 완화 물질은 전방 패널과 애노드 섹션 사이의 열팽창 혹은 열수축의 차이를 흡수한다. 그 결과, 발광과 비발광이 반복되더라도, 혹은 내부가 진공이고 전방 패널이 얇더라도, 열응력에 의한 변형은 방지된다.

상기 애노드 섹션은 내열 지지 부재에 의해 지지된 섹션뿐만 아니라 내열 지지 부재가 측면 패널에 대해 이동할 수 있는 상태로 제공될 수 있다. 내열 지지 부재로서 석영 유리, 텐팍스(Tenpax) 패널, 비콜(Vycol) 유리, 네오서럼(Neocerum) 유리, 파이렉스(Pylex, 등록상표) 유리가 사용된다. 이러한 종류의 유리가 강도에 있어서 우수하고, 보다 구체적으로 말하면 급속 냉각 및 가열시 내구성이 높고 서로 공통으로 내충성이 높다. 애노드 섹션이 지지 부재로 지지되어 있는 구조에 있어서, 전방 패널은 열팽창 혹은 수축의 차이로 인해 애노드 섹션과 조합하여 열응력을 받아들이지 않는다. 그 결과, 전방 패널은 전술한 경우와 마찬가지로 열응력에 의한 변형이 방지된다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 상기 실시예에 따른 전계 방출 램프를 상세하게 설명할 것이다.

도 31 내지 도 34를 참조하여 상기 실시예에 따른 전계 방출 램프의 상세한 설명은 다음과 같다. 전계 방출 램프(70)는 후방 패널(72), 이 후방 패널을 마주보는 전방 패널(74), 후방 패널(72)의 외주로부터 수직으로 직립한 측면 패널(76), 및 진공으로 밀폐된 공간을 포함하는 패널 케이스를 포함한다.

후방 패널(72)은 측면 패널(76)과 함께 내부를 에워싸 얕은 홈부를 형성하며, 이 홈부는 전방 패널(74)과 기밀한 방식으로 밀봉된다.

도 31 및 도 32에는 이해를 돕기 위해 구성 요소들이 연장하는 방향들이 도시되어 있다는 것에 주목해야 하다. 수직 방향은 도 31에서 관찰하는 방향으로 위에서 아래로 향하는 방향 및 도 32의 종이의 표면을 수직으로 관통하는 방향이다.

상기 수직 방향에 직각이면서 좌측에서 우측으로 향하는 방향은 도 31 및 도 32의 종이에서 측 방향(평면의 한 방향)으로 칭한다.

도 31의 종이의 표면을 수직으로 통과하는 방향과, 도 32에서 위에서 아래로 향하는 방향은 전방 패널(74)과 후방 패널(72)의 양측면 사이에서 깊이 방향(평면의 또 다른 방향)으로 칭한다.

수직 방향의 크기가 작을 경우, 면광원은 로우 프로파일이 되고, 평면 크기가 클 경우, 면광원의 발광 영역은 큰 크기로 된다.

후방 패널(72)과 측면 패널(76)은 수지 등의 절연 물질과 함께 성형되어 있다. 광 반사 처리는 후방 패널(72)과 측면 패널(76)의 내면에 바람직하게는 알루미늄 증착에 의해 적용된다.

상기 전방 패널(74)은 유리 및 수지, 투명체 혹은 반투명체 등의 광투과성 절연 물질로 성형된다.

패널 케이스에서, 다수의 전자 방출 섹션(86)이 후방 패널(72)의 내면 상에서 동일한 간격을 두고 측방향으로 배열되어 있다.

각각의 전자 방출 섹션(86)은 깊이 방향으로 길게 연장하는 도전성 와이어(86a)와, 이 도전성 와이어(86a)의 외면에 제공된 탄소 나노튜브, 탄소 나노벽 등의 탄소 막(86b)으로 이루어져 있다.

전자 방출 섹션(86)으로부터 방출된 전자와 함께 조사 하에서 광을 방출하는 애노드 섹션(84)은 전방 패널(74)의 내측면 상에 마련된다.

상기 애노드 섹션(84)은 ITO 필름 혹은 증착된 알루미늄 필름으로 구성된 투명한 전극 등의 광 전달 애노드(84a)와, 이 애노드(84a) 상의 형광 물질(84b)로 이루어져 있다.

전술한 구조를 지닌 전계 방출 램프(70)에 있어서, 전방 패널(74)과 애노드 섹션(84) 사이의 열팽창 혹은 열수축의 차이로 인해 전방 패널(74)에 발생된 열응력을 완화시키는 열응력 완화 물질(88)이 전방 패널(74)의 내면(74a)과 애노드 섹션(84)의 외면(84c) 사이에 마련되어 있다.

층이진 구조를 지닌 부재, 예컨대 운모가 열응력 완화 물질(88)로서 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 열응력 완화 물질(88)은, 전방 패널(74)이 유리로 구성되고, 애노드 섹션(84)의 애노드(84a)가 금속으로 구성되며, 그리고 이들 양자 사이에서 열팽창 및 열수축의 차이가 존재하기 때문에 사용된다.

애노드(84a)는 금속으로 구성되어 있기 때문에, 열팽창 혹은 열수축의 양은 애노드(84a)가 형광 물질(84a)에서 방출된 광에 의해 가열되어 그 온도가 상승될 경우라도 작다.

다른 한편으로, 전방 패널(74)은 유리로 구성되며, 열팽창 혹은 열수축의 양은 애노드(84a)에 비해 크고, 그리고 열이 그 내부에 축적되기 때문에 열응력이 쉽게 잔류하게 된다.

열응력을 완화시키는 열응력 완화 물질(88)은 전술한 애노드(84a)와 전방 패널(74) 사이에 개재되기 때문에, 심지어 전방 패널(74)이 형광 물질(84a)로부터 방출된 광에 의해 가열되더라도, 전방 패널(74)은, 상기 전방 패널(74)과 애노드(84a) 사이에서의 열팽창 혹은 열수축의 차이에 의해 영향을 받지 않는다. 열응력은 잔류하기 어렵다. 그 결과, 전방 패널(74)의 변형을 방지할 수 있다.

전계 방출 램프(70)에서, 형광 물질(84b)의 발광 혹은 비발광이 반복될 경우라도, 혹은 내부가 진공이고 전방 패널(74)이 얇은 유리판으로 구성되더라도 열응력에 의한 전방 패널(74)의 변형을 방지할 수 있다.

전술한 설명으로부터, 상기 실시예의 전계 방출 램프는 이 램프가 대형이고 로워 프로파일(lower profile)이더라고 내구성이 우수한 배광으로서 사용될 수 있다.

이하에서는 도 35 내지 도 37을 참조하여 또 다른 전계 방출 램프에 대하여 상세하게 설명할 것이다. 전계 방출 램프(70)에 있어서, 내열 지지 부재에 의해 지지된 애노드 섹션(84) 뿐만 아니라 이 지지 부재(90)의 양단부가 이들 사이에 작은 틈을 두고 측면 패널(76)의 내면 상의 홈부 지지 섹션(76a)에 배치되어 있다. 상기 지지 부재(90)는 석영 등의 내열 물질로 구성될 수 있다.

전계 방출 램프(70)에 따르면, 애노드 섹션(84)은 지지 부재(90)에 의해 지지되기 때문에, 이 지지 부재(90)는 측면 패널(76)에 대해 이동 가능한 방식으로 상기 지지 섹션(76a)에 배치된다. 전방 패널(74)과 애노드 섹션(84) 사이에서 열팽창 혹은 열수축의 차이가 존재하더라도, 상기 전방 패널(74)은 이 전방 패널(74)과 애노드 섹션(84) 사이에서 열응력에 의해 영향을 받지 않는다.

그 결과, 형광 물질(84b)의 발광 혹은 비발광이 반복될 경우라도, 혹은 내부가 진공이고 전방 패널(74)이 얇은 유리판으로 구성되더라도 열응력에 의한 전방 패널의 변형을 방지할 수 있다.

도 38에 도시된 바와 같이, 측면 패널(76)의 내면으로부터 측면 패널(76)에 수직으로 한 쌍의 돌출부(76b, 76b)가 마련되어 있으며, 지지 부재(90)의 양단부는 상기 양 돌출부(76b, 76b) 사이에서 각각 홈부(76c) 내에 배치되어 있다. 한 쌍의 돌출부(76b, 76b) 대신 단일의 돌출부(76b)가 채택될 수 있고, 지지 부재(90)의 양단부는 돌출부(76b) 상에 간단히 배치될 수 있다.

도 39에는 원통형 부재의 또 다른 변형례가 도시되어 있다. 진공 챔버 내에 배치된 원통형 부재는 오직 일단부 쪽, 양단부 쪽 혹은 원통형 벽 상의 소정의 위치에 개구를 구비해야 한다.

원통형 부재는, 나선 모양의 원주벽을 지닌 코일 외에, 그물 모양의 원주면을 지닌 원통형 부재(100)이거나 혹은 슬릿 모양의 원주벽을 지닌 원통형 부재(101)일 수 있다. 상기 개구는 기타 임의의 형상을 취할 수 있다. 원통형 부재는 단면이 원형인 것에 한정되지 않고 단면이 직사각형일 수도 있다.

도 40에는 탄소 막 생성 장치의 또 다른 변형례가 도시되어 있다. 진공 챔버(112)는 가스 입구(114)와 가스 출구(116)를 구비한다. 진공 챔버(112) 내의 압력은 10Pa 내지 10,000Pa의 범위에 속한다. 원통형 부재인 코일(120)이 진공 챔버(112) 내부에 배치되어 있다. 도전성 와이어(122)는 코일(120)의 내측 공간에 배치된다. 상기 코일(120)은 일방향으로 연장한다. 코일(120)의 내측 공간은 일방향으로 길게 연장하는 실린더 형상으로 플라스마를 발생시킬 수 있는 공간이다. 얇은 와이어(122)는 이러한 내측 공간에서 길게 연장한다. 상기 코일(120)과 도전성 와이어(122)는 연장 방향을 따라 그들 사이에 개재되는 바람직한 간격을 두고 서로 대향한다. 코일(120)의 일단부는 가변형 전압 DC 전원 공급부(124)의 음극에 접속되어 있다. 상기 와이어(122)는 DC 전원 공급부(124)의 양극에 접속되어 있다.

전술한 구조를 지닌 탄소 막 생성 장치(110)에 있어서, 진공 챔버(112) 내의 압력은 감소하고, 플라스마 발생 가스로서 수소 가스는 가스 입구(114)를 통해 주입되고, DC 전원 공급부(124)의 음전위가 원통형 부재(120)에 인가될 때 플라스마(126)는 원통형 부재(120)의 내측 공간에서 발생된다.

이하에서는 탄소 막 생성에 대하여 설명될 것이다. 와이어(122)는 코일(120) 내에 배치된다. 와이어(122)의 양단부는 또한 와이어(122)를 가열시키기 위해 AC 전원(123)에 접속될 수 있다. 플라스마 발생 가스로서 수소 가스와, 예컨대, 와이어(122)의 표면에 탄소 막을 생성하기 위한 탄소 함유 가스로서의 메탄 가스는 가스 입구(114)를 통해 주입된다. 그 다음 진공 챔버(112)의 압력은 감소한다. DC 전원(124)의 음전위는 고일(120)에 인가되고 그것의 양전위는 와이어(122)에 인가된다. 이에 따라 플라스마(126)가 코일(120)의 내측 공간에서 발생한다. 메탄 가스는 플라스마(126)에 의해 분해되어 와이어(122)의 표면 상에 탄소 막이 생성된다.

전술한 경우에 있어서, 만약 코일(120)이 고체 탄소 공급원이면, 플라스마로서 수소 내의 수소 이온은 고체 탄소 공급인 동시에 DC 부전압이 안가되는 코일(120)과 고속으로 충돌하고, 탄소는 충돌 에너지에 의해 코일(120)로부터 날아가 버린다. 이렇게 날아간 탄소 각각은 수소 이온과 함께 탄화수소 화합물로 화학 결합(CxHy)을 형성한 다음 와이어(122)와 충돌한다. 수소는 와이어(122)와 충돌한 수소 화합물로부터 날아가고, 탄소는 와이어(122)의 표면에 잔류하여 그곳에서 축적된다. 그 결과, 탄소 막이 와이어(122)의 표면에 생성된다.

도 41에는 탄소 막 생성 장치의 또 다른 구조가 도시되어 있다. 이 생성 장치에는 0.1 내지 50Torr 범위의 가스압을 갖는 진공 챔버(130)가 설치되어 있다.

코일(131)은 진공 챔버(130) 내에 원통형 부재로서 배치되어 있다.

수소 가스와 탄소 함유 가스는 탄소 막을 생성하기 위한 물질 가스로서 진공 챔버(130) 속으로 주입된다.

고주판 전원 공급부(132)와 DC 전원공급부(133)는 원통형 부재(131) 내에 플라스마를 발생시키기 위한 전압으로서 코일(131)에 인가된다.

고주파 전원 공급부(132)는 코일(131)의 양단에 접속되어 있다. DC 전원 공급부(133)는 코일(131)의 일단부 쪽에 접속되어 있다.

고주파 전압은 코일(131)의 양단부에 인가된다.

DC 부전압은 코일(131)의 일단부 쪽에 인가된다.

따라서 DC 부전압에 고주파 전압을 중첩시킴으로써 얻어진 전압이 코일(131)에 인가된다. 상기 전압을 인가함으로써, 플라스마(134)는 코일(131)의 내측 공간에서 발생한다. 양호한 탄소 막이 원통형 부재(131) 내에 배치되는 기판인 와이어(135)의 표면에 플라스마(134)에 의해 생성된다. 코일(131)은 이것의 적어도 일부에서 원통형 부재로 대체될 수 있다는 것에 주목해야 한다.

또한 중첩의 경우, 도 13a, 도 13b, 도 14a, 도 14b에 도시된 바와 같이 탄소 막을 생성하기 위한 조건은 CH₄ 와 H₄의 유동 속도가 각각 5ccm 및 300ccm, 기판 온도는 750℃, 압력이 2,000Pa, DC 전력은 3,000W, 고주파 전력은 500W, 바이어스가 -120V, 그리고 막 생성 시간이 10분이 되도록 설정하였다.

본 발명에 따른 탄소 막 생성을 위한 방법은 전계 방출 램프, 전자 공급원 등에서 전자 방출에 사용되는 탄소 막의 생성에 유용하다.

Claims (9)

1. 전자 방출점들의 배치 간격을 제한하는 제1 막;
   상기 제1 막으로 둘러싸인 각 영역에서 상기 제1 막보다 더 높은 바늘 형상으로 연장하고, 말단부가 전자 방출점으로서의 역할을 하는 제2 막; 및
   상기 제2 막을 하부측에서 유지하는 제3 막
   을 포함하는 탄소 막.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 막은 반경이 그 위의 임의의 위치에서부터 그 말단을 향해 갈수록 더 작아지는 바늘 모양의 형상을 갖는 것인, 탄소 막.
3. 제2항에 있어서, 상기 바늘 모양의 형상은 FN(Fowler-Nordheim) 방정식에서의 전계 집중 계수(

   

   )를 갖는 기하학적 형상이고, 상기 전계 집중 계수(

   

   )는 h/r(여기서 r은 임의의 위치에서 반경을, h는 이 위치에서 말단까지의 높이)에 의해 표현되는 것인, 탄소 막.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

Images